水肥一體智能灌溉設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用

宋成秀，李合營(yíng)，王雪瑩

（1.山東鋒士信息技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 270000；2.中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054）

水資源短缺和化肥用量高是制約我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸，實(shí)施水肥一體化技術(shù)以提高水肥利用效率對(duì)于我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要[1]。近年來(lái)，我國(guó)水肥一體化技術(shù)發(fā)展速度呈現(xiàn)快速增加趨勢(shì)。水肥一體化設(shè)備是實(shí)現(xiàn)水肥一體化技術(shù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)階段我國(guó)水肥一體化設(shè)備的應(yīng)用呈現(xiàn)引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)自行研制發(fā)展并重的特征。國(guó)外水肥一體化設(shè)備普遍采用互聯(lián)網(wǎng)、EC/pH綜合控制、氣候控制、循環(huán)加熱降溫、自動(dòng)排水反沖洗、噴霧控制等技術(shù)，基本實(shí)現(xiàn)混配肥精準(zhǔn)化、智能化和施肥管控一體化[2-4]。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主要產(chǎn)品有施肥罐、施肥池、壓差式施肥機(jī)（如比例泵、文丘里、計(jì)量泵、普通泵）等[5]。盡管經(jīng)歷了一定發(fā)展，但是我國(guó)水肥一體化設(shè)備研制應(yīng)用仍處于初期階段，質(zhì)量和管理水平與發(fā)達(dá)國(guó)家仍有差距[6]。在設(shè)備質(zhì)量方面，存在自動(dòng)化程度低及施肥不精準(zhǔn)的問(wèn)題；在管理方面，缺乏與之配套的智能灌溉軟件，控制精度不高，不能實(shí)現(xiàn)水肥的精準(zhǔn)調(diào)控。

云服務(wù)技術(shù)在計(jì)算機(jī)等行業(yè)中的大量應(yīng)用為提出基于云服務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水肥一體化灌溉設(shè)備性能提升提供了參考，但是仍需要在系統(tǒng)構(gòu)建、關(guān)鍵技術(shù)解析中進(jìn)行加強(qiáng)，并通過(guò)應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明其應(yīng)用效果?；诖?，本文基于云服務(wù)技術(shù)云服務(wù)技術(shù)進(jìn)行水肥一體智能灌溉設(shè)備設(shè)計(jì)，討論其中的關(guān)鍵技術(shù)，并舉例說(shuō)明基于云服務(wù)的水肥一體智能灌溉設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景及效果。

1 水肥一體化設(shè)計(jì)方案

基于云服務(wù)的智能水肥一體化解決方案由智慧灌溉云平臺(tái)和智能水肥一體系統(tǒng)構(gòu)成。智慧灌溉云平臺(tái)是整個(gè)方案的數(shù)據(jù)處理中心，它接收采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成最優(yōu)的施肥、灌溉方案，同時(shí)可以將方案下發(fā)到控制中心，指導(dǎo)智慧灌溉。智能水肥一體化系統(tǒng)是整個(gè)方案的執(zhí)行系統(tǒng)，主要由核心控制器、數(shù)據(jù)采集單元、灌溉控制單元及肥料控制單元組成。核心控制器是整個(gè)水肥一體化系統(tǒng)的控制中心，它負(fù)責(zé)將采集數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，也負(fù)責(zé)接收云平臺(tái)計(jì)算生成的最優(yōu)施肥、灌溉方案，解析執(zhí)行灌溉、施肥計(jì)劃。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)將當(dāng)前種植物的實(shí)時(shí)墑情、氣象等數(shù)據(jù)采集并上傳到核心控制器，核心控制器再上傳至云服務(wù)器。灌溉控制單元主要負(fù)責(zé)泵閥等的開(kāi)關(guān)，進(jìn)而精準(zhǔn)控制灌溉用水量。肥料控制單元主要負(fù)責(zé)肥料的配比、混合、投放等施肥工序的執(zhí)行，進(jìn)而達(dá)到精準(zhǔn)施肥的目的。

2 水肥一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 核心控制器工作原理

核心控制器由主控模塊、無(wú)線(xiàn)LoRa模塊、4G移動(dòng)通信模塊、視頻采集模塊、分控制器控制模塊等組成。核心控制器主控模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的運(yùn)行；無(wú)線(xiàn)LoRa模塊負(fù)責(zé)與無(wú)線(xiàn)分控制器進(jìn)行通信；4G移動(dòng)通信模塊主要是通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)與智慧灌溉云平臺(tái)通信；視頻采集模塊負(fù)責(zé)采集視頻信息，并上傳至智慧灌溉云平臺(tái)；分控制器主要由標(biāo)準(zhǔn)化傳感器接口模塊、無(wú)線(xiàn)LoRa模塊、繼電器模塊、485模塊等組成；分控制器主控模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的運(yùn)行；傳感器接口模塊主要用于采集各種傳感器數(shù)據(jù)；無(wú)線(xiàn)LoRa模塊負(fù)責(zé)與核心控制器通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信；繼電器模塊負(fù)責(zé)核心控制器下發(fā)命令的執(zhí)行。

2.2 核心控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

核心控制器主要由核心控制單元、移動(dòng)通信單元、無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)單元、數(shù)據(jù)采集單元、外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)單元、供電單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元組成。核心控制單元負(fù)責(zé)解析并執(zhí)行用戶(hù)通過(guò)人機(jī)交互界面或者灌溉云平臺(tái)下發(fā)的灌溉計(jì)劃，進(jìn)行灌溉過(guò)程控制，并對(duì)灌溉過(guò)程中的信息進(jìn)行有效反饋，通過(guò)以太網(wǎng)、移動(dòng)通信、無(wú)線(xiàn)LoRa將信息上傳到灌溉云平臺(tái)或者下發(fā)到分控制器。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元包括內(nèi)部存儲(chǔ)單元與外部存儲(chǔ)單元兩部分。內(nèi)部存儲(chǔ)單元采用先進(jìn)的串行FLASH芯片，能夠快速完成讀寫(xiě)程序與數(shù)據(jù)。外部存儲(chǔ)單元采用外掛2T存儲(chǔ)硬盤(pán)，能夠?qū)σ曨l數(shù)據(jù)、灌溉計(jì)劃等進(jìn)行存儲(chǔ)。

供電單元中，核心控制器采用交流220V/50Hz市電，然后，經(jīng)由開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換成直流12 V電源，再通過(guò)電源轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)變?yōu)楹诵目刂颇K所需直流12 V電源的5 V、3.3 V、1.5 V、1.2 V等直流電源，進(jìn)而完成對(duì)整個(gè)核心控制器的供電。

2.3 核心控制器工作流程

水肥一體智能灌溉設(shè)備的嵌入式軟件主要由Linux系統(tǒng)軟件和核心控制應(yīng)用軟件兩部分組成。Linux系統(tǒng)軟件為核心控制應(yīng)用軟件提供可靠的運(yùn)行和操作支撐。核心控制應(yīng)用軟件由灌溉進(jìn)程控制程序、多地塊水肥分配程序、灌溉云平臺(tái)通信程序、分控制器控制程序、人機(jī)交互程序和視頻采集程序組成。

1）灌溉進(jìn)程控制程序。根據(jù)灌溉計(jì)劃或人機(jī)交互命令執(zhí)行灌溉流程，在灌溉過(guò)程中隨時(shí)向分控制器控制程序發(fā)送查詢(xún)和操作指令，整個(gè)灌溉程序可分為19個(gè)階段，直至灌溉完成。灌溉過(guò)程中，根據(jù)灌溉計(jì)劃生成輪灌組的信息，控制灌溉流程中不同狀態(tài)階段的執(zhí)行和跳轉(zhuǎn)。在施肥過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)傳感器的pH值、EC值自動(dòng)調(diào)整施肥的濃度。

2）多地塊水肥分配程序。多地塊水肥分配程序是根據(jù)灌溉云平臺(tái)下發(fā)的灌溉方案，依據(jù)當(dāng)前水源泵站的流量、水源水量、地塊支管流量、施肥量、灌水量、施肥配置比、作物類(lèi)型、地塊分布等情況，將灌溉計(jì)劃分成最為合理的幾個(gè)灌溉組，把最優(yōu)的灌溉組交給執(zhí)行單元執(zhí)行灌溉計(jì)劃，以最高的效率完成灌溉施肥過(guò)程。

3）智能灌溉云服務(wù)通信程序。灌溉云平臺(tái)通信程序負(fù)責(zé)建立、保持、管理與灌溉云平臺(tái)的連接，實(shí)時(shí)接收云平臺(tái)下發(fā)的數(shù)據(jù)包，并解析出指令和數(shù)據(jù)內(nèi)容，分發(fā)給其他各單元，同時(shí)向其他各單元開(kāi)放數(shù)據(jù)共享接口。

4）分控制器控制程序。分控制器控制程序主要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)事件服務(wù)器，同時(shí)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)和串口，為請(qǐng)求連接的有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)分控制器程序建立對(duì)應(yīng)的連接，接收分控制器程序消息并解析，同時(shí)為其他單元開(kāi)放數(shù)據(jù)共享接口，監(jiān)控各分控制器工作狀態(tài)。該事件服務(wù)器實(shí)現(xiàn)有線(xiàn)分控制器和無(wú)線(xiàn)分控制器的同時(shí)控制，為核心控制器安裝到復(fù)雜的地況提供有力保障。

5）人機(jī)交互程序。人機(jī)交互程序用于呈現(xiàn)人工操作界面。管理人員可通過(guò)操作界面對(duì)核心控制器進(jìn)行硬件配置、分控制器配置和軟件參數(shù)配置等操作，可以在本地編輯、執(zhí)行自動(dòng)灌溉計(jì)劃/手動(dòng)灌溉操作流程，還可以執(zhí)行地塊信息管理、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看、監(jiān)視視頻實(shí)時(shí)查看、回放視頻查看、灌溉計(jì)劃執(zhí)行狀態(tài)查看等功能。

6）視頻采集程序。視頻采集程序負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)情況，查看設(shè)備的運(yùn)行情況。視頻采集程序包括遠(yuǎn)程云臺(tái)控制、視頻采集、視頻存儲(chǔ)、視頻回放等程序。

7）過(guò)濾控制程序。過(guò)濾控制程序負(fù)責(zé)檢測(cè)管道壓力變化情況，根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的時(shí)間，控制過(guò)濾器進(jìn)行反沖洗，保證灌溉的正常運(yùn)行。

8）數(shù)據(jù)采集程序。數(shù)據(jù)采集程序主要由模擬量采集、數(shù)字量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出、RS485通信等程序組成。數(shù)據(jù)采集單元采用進(jìn)口高精度芯片，能夠精確完成采集外部傳感器數(shù)據(jù)，檢測(cè)外部設(shè)備狀態(tài)，控制外部設(shè)備啟停。

2.4 智能水肥一體化系統(tǒng)工作模式

水肥一體智能灌溉管理設(shè)備具備三種工作模式：智能控制模式、定量控制模式和手動(dòng)控制模式。

1）在智能控制模式下，水肥一體智能灌溉設(shè)備下載灌溉方案，設(shè)備按照灌溉方案要求自動(dòng)控制設(shè)備各單元的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)灌溉方案的精確執(zhí)行。

2）在定量控制模式下，以設(shè)備下載的水肥一體灌溉方案為基礎(chǔ)，通過(guò)設(shè)備的交互裝置設(shè)定灌溉水量、施肥量、灌溉時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)，滿(mǎn)足對(duì)灌溉方案微調(diào)的使用需要。

3）在手動(dòng)控制模式下，在參照水肥一體灌溉方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)操作按鈕人工控制水肥一體化設(shè)備進(jìn)行灌溉施肥作業(yè)，滿(mǎn)足自主進(jìn)行灌溉施肥的需要。

3 水肥一體化設(shè)備的應(yīng)用案例

萊蕪市致遠(yuǎn)林果專(zhuān)業(yè)合作社位于辛莊鎮(zhèn)蔡店村，該合作社擁有林果基地200 hm2，依托高效節(jié)水灌溉示范項(xiàng)目，實(shí)施灌溉面積66.67 hm2，其中小管出流灌溉面積54.67 hm2，微噴灌面積12 hm2。在首部泵房?jī)?nèi)安裝水肥一體智能管理設(shè)備一套，可同時(shí)控制8個(gè)地塊。

本文選取1.33 hm2蘋(píng)果（樹(shù)齡7年）、1.33 hm2（樹(shù)齡4年）進(jìn)行試驗(yàn)示范，蘋(píng)果、桃的目標(biāo)產(chǎn)量分別為每公頃60 000 kg、37 500 kg，應(yīng)用水肥一體化智慧灌溉設(shè)備后，較常規(guī)大水漫灌方式節(jié)水22.7%～54.3%；施肥量合理控制，節(jié)肥23.3%～40.7%，增產(chǎn)6.4～9.9%，果實(shí)品質(zhì)得到有效提升。詳見(jiàn)表1和表2。

表1 折合每畝效益分析

表2 對(duì)蘋(píng)果、桃品質(zhì)的影響

4 結(jié)語(yǔ)

基于云服務(wù)的水肥一體智能灌溉設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)作物種植環(huán)境、生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)信息的實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)上傳，能夠自動(dòng)接收、解析和執(zhí)行云平臺(tái)推薦的水肥一體灌溉方案，并支持人工對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化和參數(shù)調(diào)整。示范工程應(yīng)用實(shí)例表明，水肥一體智能灌溉設(shè)備不僅能大幅度降低用水、用肥和人工成本，而且可以提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，增加農(nóng)民收入，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。